محرك الشحن الطبقي

يُشير مصطلح " محرك الشحنة الطبقية" إلى نوعٍ مُحدد من محركات الاحتراق الداخلي ، وعادةً ما يكون محرك إشعال شراري، ويُستخدم في الشاحنات والسيارات والمعدات المحمولة والثابتة. ويُشير مصطلح "الشحنة الطبقية" إلى سوائل التشغيل وأبخرة الوقود الداخلة إلى الأسطوانة. عادةً ما يُحقن الوقود في الأسطوانة أو يدخل على شكل بخار غني بالوقود، حيث تُستخدم شرارة أو وسيلة أخرى لبدء عملية الإشعال، وتتفاعل المنطقة الغنية بالوقود مع الهواء لتعزيز الاحتراق الكامل. تُتيح الشحنة الطبقية نسب انضغاط أعلى قليلاً دون حدوث " طرق "، ونسبة هواء/وقود أقل من تلك الموجودة في محركات الاحتراق الداخلي التقليدية.

تقليديًا، يتم تزويد محرك دورة أوتو رباعي الأشواط (الذي يعمل بالبنزين) بالوقود عن طريق سحب خليط من الهواء والوقود إلى غرفة الاحتراق أثناء شوط السحب. ينتج عن ذلك شحنة متجانسة: خليط متجانس من الهواء والوقود، يتم إشعاله بواسطة شمعة احتراق في لحظة محددة مسبقًا قرب نهاية شوط الضغط .

في نظام الشحن المتجانس، تُحافظ نسبة الهواء إلى الوقود على نسبة قريبة جدًا من النسبة المثالية ، أي أنها تحتوي على الكمية الدقيقة من الهواء اللازمة للاحتراق الكامل للوقود. وهذا يُؤدي إلى احتراق مستقر، ولكنه يضع حدًا أقصى لكفاءة المحرك: فأي محاولة لتحسين استهلاك الوقود عن طريق تشغيل خليط أقل تركيزًا (وقود أقل أو هواء أكثر) مع شحن متجانس تُؤدي إلى احتراق أبطأ وارتفاع درجة حرارة المحرك؛ وهذا يُؤثر على القدرة والانبعاثات، ولا سيما زيادة أكاسيد النيتروجين ( NOx ₎ .

ببساطة، يُنتج محرك الشحنة الطبقية مزيجًا غنيًا من الوقود بالقرب من نقطة الشرارة، ومزيجًا فقيرًا في باقي غرفة الاحتراق. يشتعل المزيج الغني بسهولة، مما يؤدي بدوره إلى اشتعال المزيج الفقير في باقي الغرفة؛ فيسمح ذلك للمحرك باستخدام مزيج أفقر، وبالتالي تحسين الكفاءة مع ضمان احتراق كامل.

تشمل العيوب ما يلي:

• زيادة تكلفة الحاقن وتعقيده
• متطلبات ضغط وقود أعلى
• يزداد تكوّن أكاسيد النيتروجين _نتيجةً لوجود مناطق ذات نسبة احتراق منخفضة للغاية وحرارة موضعية عالية. لا توجد هذه المناطق عادةً في محركات البنزين، لأن خليط الهواء والوقود فيها يكون أفضل.

قد يُمثل الاحتراق مشكلةً إذا كان الخليط فقيرًا عند شمعة الإشعال. مع ذلك، يسمح تزويد محرك البنزين بالوقود مباشرةً بتوجيه كمية أكبر من الوقود نحو شمعة الإشعال مقارنةً بباقي أجزاء غرفة الاحتراق. ^{[ 1 ]} ينتج عن ذلك شحنةٌ مُتدرجة: حيث لا تكون نسبة الهواء إلى الوقود متجانسةً في جميع أنحاء غرفة الاحتراق، بل تتغير بطريقة مُتحكم بها (وربما مُعقدة للغاية) عبر حجم الأسطوانة.

يمكن تحقيق تدرج الشحنة حتى في حال عدم وجود تدرج داخل الأسطوانة: قد يكون خليط السحب فقيرًا جدًا لدرجة لا تسمح بإشعاله بالطاقة المحدودة التي توفرها شمعة الإشعال التقليدية. مع ذلك، يمكن إشعال هذا الخليط الفقير جدًا باستخدام خليط تقليدي بنسبة 12-15:1، في حالة محرك البنزين، يُغذى إلى غرفة احتراق صغيرة مجاورة ومتصلة بغرفة الاحتراق الرئيسية للخليط الفقير. تكفي جبهة اللهب الكبيرة الناتجة عن احتراق هذا الخليط لإحراق الشحنة. يتضح من هذه الطريقة لتدرج الشحنة أن الشحنة الفقيرة تُحرق بالكامل، وأن المحرك الذي يستخدم هذا النوع من التدرج لا يعود عرضة للاحتراق غير المنضبط أو "الخبط". وبالتالي، فإن الوقود المحترق في الشحنة الفقيرة لا يخضع لقيود "الخبط" أو الأوكتان. لذلك، يمكن لهذا النوع من التدرج استخدام مجموعة واسعة من أنواع الوقود؛ حيث يعتمد ناتج الطاقة النوعي فقط على القيمة الحرارية للوقود.

يتم توجيه خليط غني نسبياً من الهواء والوقود إلى شمعة الإشعال باستخدام حاقنات متعددة الفتحات. يُشعل هذا الخليط، مما يُنتج لهباً قوياً ومتجانساً ويمكن التنبؤ به. وهذا بدوره يؤدي إلى احتراق عالي الجودة للخليط الأضعف بكثير في باقي أجزاء الأسطوانة.

تستخدم كل من محركات الاحتراق بالضغط (الديزل) ومحركات الشحنة الطبقية لهبًا انتشاريًا لتكوين بؤر ساخنة موضعية تُعزز الاحتراق الكامل وتقلل من انبعاثات الهيدروكربونات غير المحترقة وأول أكسيد الكربون ، مما يُقلل من استهلاك الوقود مع الحفاظ على الكفاءة ^{[ 2 ]} . غالبًا ما يؤدي ذلك أيضًا إلى زيادة أكاسيد النيتروجين والجسيمات ، مما يُخل بتوازن الانبعاثات، وينتج عنه عدم كفاءة المحول الحفاز ثلاثي الاتجاهات، ولذلك تستخدم محركات الديزل إعادة تدوير غاز العادم وفلاتر الجسيمات. تكمن أبرز الاختلافات بين محركات الاحتراق بالضغط ومحركات الشحنة الطبقية في هندسة رأس المحرك. ففي محرك الديزل، يكون حاقن الوقود في المنتصف لإحداث دوامة وتقليل ترطيب جدران الأسطوانة. أما في محرك الشحنة الطبقية، فيكون حاقن الوقود جانبيًا، مع وجود شمعة الإشعال في المنتصف، والتي في بعض حالات محركات الشحنة الطبقية، يمكنها حقن الوقود عبر شمعة الإشعال، لجعل المنطقة المحيطة بها غنية بالوقود، مُحاكيةً بذلك تدرج الغنى والفقر الموجود في محركات الديزل ^{[ 3 ]} . تُستخدم محركات الشحنة الطبقية عادةً لمحاكاة مزايا الأداء لمحركات الاحتراق بالضغط، في محركات الاحتراق بالشرارة الأرخص ثمناً، وذلك بشكل أساسي للوقود البديل.

من المفيد مقارنة محركات البنزين الحديثة ذات الحقن المباشر والاحتراق الشراري بمحركات الديزل ذات الحقن المباشر والاحتراق بالضغط . يتميز البنزين بسرعة انتشار اللهب، وبالتالي يحترق أسرع من الديزل ، مما يسمح بسرعات قصوى أعلى للمحرك، وبالتالي قدرة قصوى أكبر للمحركات الرياضية. عند بدء الاشتعال، يختلط الوقود بالتساوي في الهواء، مما يُنتج لهبًا مُسبق الخلط، وهو أسرع بكثير من لهب الانتشار الموجود في محركات الاحتراق بالضغط. أما الديزل، فهو أقل تطايرًا وذو كثافة طاقة أعلى ، مما يسمح بضغوط احتراق أعلى، وبالتالي يمكنه استخدام نسب انضغاط أعلى لتحقيق عزم دوران أكبر وكفاءة ديناميكية حرارية أعلى.

ابتكر جورج برايتون في عام 1887 مبدأ حقن الوقود مباشرةً في غرفة الاحتراق لحظة بدء الاحتراق ، وقد استُخدم هذا المبدأ بنجاح في محركات البنزين لفترة طويلة. يصف برايتون اختراعه قائلاً: "اكتشفتُ أنه يمكن تحويل الزيوت الثقيلة ميكانيكيًا إلى جزيئات دقيقة داخل جزء الاحتراق في الأسطوانة، أو في غرفة احتراق متصلة بها". ويضيف: "لأول مرة، حسب علمي، تمكنتُ من تنظيم السرعة من خلال التحكم المتغير في تدفق الوقود السائل مباشرةً إلى غرفة الاحتراق أو الأسطوانة، وتحويله إلى جزيئات دقيقة تُسهّل الاحتراق الفوري". كان هذا أول محرك يستخدم نظام الاحتراق الهزيل لتنظيم سرعة/خرج المحرك. وبهذه الطريقة، كان المحرك يعمل في كل شوط قدرة، وكانت السرعة/الخرج تُتحكم فقط بكمية الوقود المحقونة.

نشرت جمعية مهندسي السيارات الدولية أوراقًا بحثية حول العمل التجريبي مع محركات الشحن الطبقية. ^{[ 5 ]}

يُعدّ نظام حقن الوقود الطبقي التوربيني ( TFSI ) علامة تجارية لمجموعة فولكس فاجن ، وهو نوع من محركات الاحتراق الداخلي التي تعمل بالتيربو، حيث يُحقن الوقود مباشرةً في غرفة الاحتراق بضغط عالٍ ، مما يُولّد شحنة طبقية. تُحسّن تقنية الحقن المباشر TFSI عزم الدوران وقوة محركات الاحتراق الداخلي ، وتجعلها أكثر اقتصادية بنسبة تصل إلى 15%، كما تُقلّل من انبعاثات العادم. ^{[ 6 ]}

• الاحتراق الهزيل